16 mar. 2013

¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? I

Lo vehículos eléctricos llevan con nosotros desde hace muchos años. Han tenido un éxito enorme en trenes, tranvías y suburbanos, pero también en vehículos de carretera como el trolebús. Sin embargo los coches eléctricos nunca han tenido verdadera difusión comercial, ni siquiera ahora que se dispone de baterías con una densidad de energía muy superior a la batería tradicional de ácido/plomo que montamos en cualquier coche convencional. Existen dos problemas fundamentales en el coche eléctrico:
  • Para el usuario: no se dispone de "electrolineras" en las que remplazar las baterías o "hidrogeneras" donde repostar hidrógeno.
  • Para el medio ambiente: no se dispone de suficiente generación eléctrica de fuentes renovables.
Alrededor de estos dos problemas tenemos el problema del almacenamiento de energía. Empecemos revisando las alternativas para almacenar energía:

Bombeo hidráulico
Lo comento porque este es el método más habitual para almacenar energía en grandes cantidades. El concepto es tan básico como almacenar energía aprovechando la energía potencial. Se bombea agua a un embalse elevado. Luego la energía eléctrica se genera invirtiendo el proceso. El rendimiento del proceso puede ser muy elevado, y el precio del sistema (por unidad de energía) es bajo, especialmente si ya se dispone de dos embalses para generar energía hidroeléctrica. Evidentemente no tiene ningún uso para un coche, pero estas instalaciones son necesarias si pretendemos extender el uso del coche eléctrico, ya que las energías eólica y solar son fuentes intermitentes. Como se verá más adelante, la energía solar y sobretodo la eólica son casi imprescindibles para que el coche eléctrico reduzca las emisiones de gases de efecto invernadero.

Comprimir aire
De momento esta es la única alternativa real al bombeo hidráulico para almacenar energía en grandes cantidades. Para que el almacenamiento sea económico se necesita disponer de un depósito barato, típicamente una mina subterránea abandonada suficientemente poco permeable para que las fugas sean pequeñas. Si se quiere utilizar en un coche tenemos un serio problema de densidad de energía. El problema está en el calentamiento de un gas. En una compresión de un gas sin intercambio de calor con el exterior (proceso adiabático) el aumento de la temperatura sigue la siguiente fórmula:

T2/T1 = (P2/P1)(γ-1)/γ

Donde:
T - es la temperatura absoluta, por tanto en el sistema internacional en grados Kelvin.
P - es la presión.
 γ - es la relación entre el calor específico del gas a presión constante (CP) y a volumen constante (CV), para el aire es aproximadamente 1,4.
1 - condiciones de entrada al compresor.
2 - condiciones de salida del compresor.

Veamos lo que ocurre con la temperatura del aire a la salida de este compresor ideal. Condiciones de partida aire a 25ºC y presión atmosférica al nivel del mar (1bar):


Esta estimación es optimista. Cuando se comprime un gas en la realidad el rendimiento es menor a la unidad. El efecto de esta falta de "idealidad" es que el gas se calienta más que con un compresor ideal. Por tanto aunque se pueda equipar el coche con un depósito que soporte 300bar de presión o incluso mucho más, el aire a esa presión se calienta hasta 1250ºC. Es una temperatura tan elevada que hace técnicamente casi inviable una compresión adiabática. Incluso aunque no se refrigere el aire, un depósito a una temperatura tan elevada no tardaría mucho tiempo en perder calor. Por eso en la práctica los sistemas de aire comprimido suelen trabajar con temperaturas próximas a la temperatura ambiente (compresión aproximadamente isoterma). Pero entonces, tenemos un serio problema, cuando el aire se expande para mover el coche alcanza temperaturas bajísimas; y aquí se reduce el rendimiento del sistema, ya que tenemos que calentar el aire mediante un cambiador de calor con el exterior (para poder continuar con el proceso de expansión) y tenemos que deshidratar el aire para evitar que se forme hielo. En resumen el rendimiento del sistema es bajo, y más aún si el aire comprimido se obtiene con un compresor doméstico, que tiene un rendimiento mediocre.
NOTA: una compresión más o menos isoterma requiere menos energía que una compresión adiabática, pero también se obtiene menos energía al expandir el aire. Sin embargo el verdadero problema está en la necesidad de transferir calor tanto al comprimir como al expandir el gas, ahí es donde empeora el rendimiento del sistema.

Pero volvamos al inicio del razonamiento ¿Cuanta energía almacenamos en un depósito de aire comprimido? La energía por litro de depósito es muy baja. Por lo explicado anteriormente, la energía razonable es la de una expansión isotérmica, en este caso la densidad energética (por unidad de volumen) sigue la siguiente fórmula:

W = P2×ln(P2/P1)

Para el caso de una presión de 300bar (30MPa) la energía por litro de depósito es de:

W = 1m3×30MPa ×ln(30/0,1) = 171MJ/m3 = 0,171MJ/l

NOTA: si el proceso fuera adiabático la densidad de energía aun sería menor debido a la elevada temperatura. Es decir, por unidad de masa (Kg de aire) la densidad de energía es muy superior, pero como a 1250ºC la densidad del aire es muy inferior respecto un proceso isotermo a 25ºC, disponemos de menos energía en nuestro depósito.

En resumen, en un depósito de aire a 300bar tenemos tan sólo un 0,5% de la densidad energética de un litro de gasóleo. Esta bajísima densidad (además del rendimiento mediocre del sistema) explica porque ha tenido poco éxito el coche de aire comprimido. Sí que tiene interés para coches híbridos, debido a que necesitamos acumular muy poca energía, típicamente sólo la necesaria para circular unos pocos kilómetros, y por tanto podemos utilizar presiones más bajas y depósitos de tamaño razonable. De hecho, en estos momentos el grupo PSA está a punto de comercializar un coche híbrido con aire comprimido:


Esquema del sistema Hybrid air Imagen gentileza de PSA
NOTA: según parece la presión utilizada en este sistema es del entorno de 20bar. Además, el aire comprimido no se utiliza directamente para mover el coche. Existe un sistema hidráulico intermedio. Es el líquido hidráulico el que acciona una bomba y motor hidráulico.

Energía cinética
Conceptualmente un acumulador cinético es esencialmente un volante de inercia. Las principales diferencias es que debe girar mucho más aprisa que un volante de inercia convencional, y debe tener unas pérdidas mucho menores:

Esquema acumulador cinético gentileza Wikipedia.

Para evitar que un acumulador cinético pierda energía es necesario que el volante esté en vacío y que no tenga rozamiento en los rodamientos. Para ello se utilizan rodamientos magnéticos.

La energía que puede almacenar un acumulador cinético es proporcional a la resistencia específica del material con el que se fabrica el volante. Dado que los materiales compuestos son los materiales que tienen mayores resistencias específicas, la mayor densidad energética se obtendrá con estos materiales. Teóricamente la densidad energética de un acumulador puede ser muy elevada, sin embargo, según este artículo de la Wikipedia la máxima densidad energética de un sistema completo típico es de 40KJ/Kg. No obstante, voy a suponer que técnicamente fuera posible un acumulador con una densidad 10 veces mayor, es decir 0,4MJ/Kg. Incluso en ese caso la densidad energética es un 1% de la energía disponible en un kilogramo de gasóleo. Esto explica porque tampoco se ven coches con acumuladores inerciales.

Al igual que en el caso del aire comprimido, los acumuladores cinéticos si son una opción factible para un coche híbrido:


Ejemplo acumulado cinético par automoción de un sistema de recuperación de energía al frenar, comúnmente conocido por sus siglas en inglés: KERS - Kinetic Energy Recovery System. Imagen obtenida en Wired.
NOTA: el KERS es muy conocido por su uso en la fórmula 1. No confundir con el ejemplo mostrado. Los KERS de fórmula 1 utilizan normalmente baterías en vez de acumuladores cinéticos.

Energía química
Finalmente llegamos a la gran apuesta de los coches eléctricos, las baterías químicas. Únicamente voy a presentar dos sistemas: las pilas de hidrógeno y las baterías de iones de litio.

Pilas de hidrógeno
Las pilas de hidrógeno, también conocidas como pilas de combustible son un sistema más eficiente que las máquinas térmicas para conseguir energía haciendo reaccionar el hidrógeno y el oxígeno para obtener agua.

En esta link de la Wikipedia podéis encontrar más información sobre pilas de hidrógeno. A diferencia de una batería convencional, los reactivos se pueden suministrar de manera continua, luego teóricamente el kilometraje que se puede circular con este sistema es superior a las baterías de iones de litio que se verán más adelante. Desgraciadamente en la práctica no es tan sencillo. Veamos algunos problemas:
  • El hidrógeno es un gas muy volátil, y de llama casi transparente. En principio es más peligroso que por ejemplo el gas natural.
  • El hidrógeno sólo es licuable a temperaturas criogénicas. No parece por tanto viable almacenar gas licuado en un coche. El hidrógeno a presión tiene una densidad energética pequeña. En la práctica en un coche con un depósito de tamaño razonable sólo se pueden almacenar unos pocos kilogramos de hidrógeno, lo cual forzosamente reduce el alcance respecto a un coche impulsado con cualquier hidrocarburo. Existen algunas otras posibilidades para almacenar hidrógenos, podéis consultar más información en este link de la Wikipedia, pero ninguna es completamente satisfactoria.
  • El rendimiento de una pila de hidrógeno (proceso carga descarga) es bajo comparado con el rendimiento de cualquier batería. Las mejores pilas pueden alcanzar un rendimiento del 70%, pero cuando se tienen en cuenta todas las pérdidas del sistema (incluido la necesidad de comprimir el hidrógeno), y además tenemos en cuenta que un coche requiere una pila relativamente pequeña (del orden de 10 a 100KW) y razonablemente ligera, el rendimiento real del sistema está más bien en el rango del 50%.
  • Las pilas de hidrógeno de momento son relativamente caras para aplicarlas en coches.
Atención, aunque el hidrógeno es una forma de almacenar energía eléctrica (cuando se obtiene el hidrógeno a través de la electrólisis del agua), en la práctica sale más económico obtenerlo a través de la descomposición del gas natural. Volveré sobre este punto más adelante.

Baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio son omnipresentes en los teléfonos móviles y en los ordenadores portátiles. De momento son también las baterías químicas de mayor densidad de energía disponibles comercialmente para automoción. Tienen una densidad energética hasta 5 veces mayor a una batería convencional de ácido/plomo. Las mejores baterías comerciales tienen una densidad energética de 0,9MJ/Kg. Esto tan sólo es el 2% de la densidad energética del gasóleo.

Además, estas baterías tienen algunas ventajas que las hacen idóneas para un coche:
  • Cuando no se usan se descargan lentamente. Hacen falta meses para descargar una batería.
  • El proceso de carga y descarga tiene un rendimiento elevado.
  • Una vida larga, aunque menos que un buen motor de combustión. Además, a lo largo de la vida la batería va perdiendo prestaciones.
Tienen al menos cuatro inconvenientes destacados:
  • En los diseños actuales hay que evitar descargar demasiado las baterías para prolongar su vida. De hecho cuanto menos se descarguen mayor es su vida. Esto impide aprovechar toda la capacidad teóricamente disponible.
  • Sólo funcionan correctamente en un rango determinado de temperaturas. Si la temperatura es demasiado alta la batería podría llegar a arder espontáneamente. En algunos casos la temperatura de ignición se puede alcanzar simplemente cortocircuitando las baterías. Especialmente los diseños con densidades de energía más altas son más propensos a los accidentes, como ha sufrido dolorosamente Boeing en su último avión, el Boeing 787.  Incluso un daño en la batería puede causar la ignición.
  • Estas baterías están muy bien para un teléfono móvil, pero son una alternativa cara para los coches.
  • El tiempo de recarga es alta. En el mejor de los casos hacen falta decenas de minutos para conseguir recargar un porcentaje importante de la capacidad de la batería.
Podéis obtener más información sobre estas baterías en la Wikipedia.

Otros sistemas de almacenamiento
Existen otros muchos tipos de baterías, en algunas características superiores a las baterías de iones de litio, pero de momento por diversos motivos no se consideran una alternativa interesante para coches. A destacar las baterias metal/aire y las baterías de sales fundidas.

También existen pilas de combustión que utilizan otros combustibles diferentes al hidrógeno.

Existen algunos sistemas exóticos para almacenar energía, de momento sin interés para un coche eléctrico:
  • Los supercondensadores.
  • Utilizar campos magnéticos generados con bobinas de materiales superconductores (conocido habitualmente por las siglas en inglés SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage).
  • Almacenamiento de energía térmica. Típico de instalaciones solares térmicas, ya sea para producir electricidad en las horas punta cuando no se dispone de sol, o para proporcionar agua caliente doméstica.
  • Sintetizar hidrocarburos. El hidrógeno tiene problemas de almacenamiento, y es relativamente peligroso. Por eso puede tener interés sintetizar hidrocarburos. Si la fuente de partida es biomasa, entonces podemos tener un sistema totalmente sostenible.
Finalmente, el hidrógeno, además de utilizarlo en pilas de combustible, también se puede utilizar en motores térmicos. Esto es casi la única alternativa para aplicaciones donde la planta de potencia tiene que tener una potencia específica (KW/Kg) muy elevada. A destacar en aplicaciones aeronáuticas.

Continuará...

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